skanuj0153

304

304

prąd wejściowy

kontakt metalowy

Rys. 12. Schemat budowy diody laserowej

lencyjnym dziury zachowują się jak ładunki dodatnie, tworząc prąd dziurawy. Generacja pary elektron-dziura może zajść, gdy np. elektron z pasma walencyjnego zaabsorbuje i foton o energii hv>E_g lub pod wpływem pola elektrycznego. Natomiast powrotowi elektronu z pasma przewodnictwa na nieobsadzony poziom paśmie walencyjnym, czyli rekombinacji pary, towarzyszy emisja promieniowania o energii hv = E_g (rys. 11).

Poprzez dodanie do czystego kryształu półprzewodnikowego obcych atomów (domieszkowanie), możemy zwiększyć ilość elektronów w sieci krystalicznej (półprzewodniki typu n) lub ilość dziur (półprzewodniki typu p). Jeśli zetkniemy ze sobą takie dwa materiały, typu n i typu p, powstanie tzw. złącze p-n, z lokajnie przesuniętymi pasmami energetycznymi (więcej na temat złącza p-n można znaleźć w instrukcji do ćwiczenia 18). Złącze p-n jest zasadniczym elementem każdej diody półprzewodnikowej.

Zasadę: działania lasera omówimy na przykładzie prostej diody, której schemat przestawiono na rys. 12. W celu otrzymania akcji laserowej należy doprowadzić do inwersji obsadzeń poziomów kwantowych. Diody laserowe różnią się jednak tym od laserów gazowych, że zamiast dyskretnych poziomów

atomowych mamy do czynienia z

inwersja obsadzeń

Rys.13. Emisja wymuszona w złączu p-n

szerokimi pasmami energetycznymi. Inwersja obsadzeń polega na przeniesieniu dostatecznie dużej liczby elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa (rys.13). Uzyskuje się ją przez przepuszczanie dużych prądów przewodnictwa przez diodę i wstrzykiwanie nośników ładunku do obszaru złącza p-n (pompowanie elektryczne). Elektrony i dziury rekom-

binują w obszarze złącza z emisją fotonów (rys.12 i 13). Wartość na prądu przewodzenia, powyżej której może rozpocząć się emisja laserowa, oj zywamy wartością progową. Fotony wyemitowane w procesach rekombinat spontanicznej dają początek emisji wymuszonej, która przy małych strata* spowodowanych absorpcją i ucieczką fotonów ze złącza, dominuje nad emią spontaniczną.    ;

Długość fali światła laserowego X jest uzależniona głównie od wyboru mi teriału półprzewodnikowego i rozciąga się od podczerwieni aż do obszaru Wj dzialnego (dla diody z arsenku galu, GaAs, ,1=670 nm). Ponadto długości i emitowanych przez daną diodę laserową rosną ze wzrostem temperatury krys; tału. Naturalnie łupane, niepolerowane ścianki kryształu spełniają zwykle ro rezonatora o zdolności odbicia rzędu 30%.

Opisana powyżej prosta dioda laserowa, która stanowi pojedyncze złącj p~n wytworzone w jednorodnym związku półprzewodnikowym, np. GaAs, O stosunkowo małą wydajność. Obecnie coraz bardziej rozpowszechnione są |j sery zbudowane z podwójnych, niejednorodnych złączy (np. GaAs-GaAlAsj Zastosowanie dwóch złączy w laserze pozwala na zlokalizowanie wstrzykiwj nych nośników ładunku w wąskim obszarze i obniżenie wartości progowa prądu. W celu poprawienia lokalizacji warstwy aktywnej stosuje się struktui krystaliczne, ograniczające wnękę w kierunku równoległym do złącza.

Lasery półprzewodnikowe najnowszych konstrukcji cechuje wysoka wy dajność (25 do 30%), małe rozmiary, prostota budowy, długi czas życia, łaj twość modulacji mocy wyjściowej przez kontrolę prądu płynącego przez złą cze.

Rozbieżność wiązki laserowej spowodowana jest dyfrakcją promieni zjjt<| chodzącą w czasie opuszczania warstwy aktywnej. Wiązka z diody laserowy ma przekrój w przybliżeniu eliptyczny, co spowodowane jest różnicą wymijfci rów obszaru aktywnego w kierunku równoległym i prostopadłym do złącza. Powyżej wartości progowej prądu wiązka laserowa jest spolaryzowana ^ płaszczyźnie równoległej do płaszczyzny złącza p-n. Ponieważ nie można wji eliminować całkowicie emisji spontanicznej, wiązka ta zawsze będzie zawierli ła pewien procent światła niespolaryzowanego.

j

Literatura

[1]    I.W.Sawieliew: Kurs fizyki, t.l. PWN, Warszawa 1989.

[2]    I.W.Sawieliew: Kurs fizyki, t.2. PWN, Warszawa 1989.